數(shù)據(jù)中心制冷方案的選擇

計劃在數(shù)據(jù)中心添加新IT設(shè)備的決策者應(yīng)該注意到哪種類型的制冷系統(tǒng)在當(dāng)前和未來都能夠滿足要求。最近高密度IT設(shè)備增加了，但機房制冷系統(tǒng)如果無法相應(yīng)增加，就會導(dǎo)致制冷系統(tǒng)效率低下、制冷能力不可預(yù)測，在有些情況下根本無法滿足冷卻要求。為了解決這個問題，人們提出了面向排列結(jié)構(gòu)和面向機架結(jié)構(gòu)的制冷系統(tǒng)。

空調(diào)的功能

在數(shù)據(jù)中心里，所有的空調(diào)都具有兩個功能：一是產(chǎn)生冷空氣（也就是能提供數(shù)千瓦的制冷容量）并輸送到需要冷卻的關(guān)鍵設(shè)備上。有多種方式可以產(chǎn)生大量的冷空氣，如低溫水、低溫乙二醇，以及任何可以使用的媒質(zhì)而無須考慮它們的結(jié)構(gòu)。

空調(diào)的第二個功能就是將冷空氣輸送到各個機房，這里有三種不同的方式，如圖1所示。在面向機房形式的結(jié)構(gòu)中（圖1左），計算機機房空調(diào)（CRAC）單元與機房本身融為一體；在面向排列形式的結(jié)構(gòu)中（圖1中），CRAC單元是成排布置的；在面向機架形式的結(jié)構(gòu)中（圖1右），CRAC單元被放置在單獨的機架上。

圖1 樓層平面圖說明了面向機房形式（左）、面向排列形式（中）和面向機架形式（右）的空調(diào)布置結(jié)構(gòu)間的差別

面向機房形式的制冷系統(tǒng)由一臺或多臺空調(diào)組成，其中任何一臺空調(diào)都可以完全不受約束地（沒有通風(fēng)管道、風(fēng)門調(diào)節(jié)器、通風(fēng)口或其他方式進行風(fēng)量控制）給需要冷卻的設(shè)備提供冷風(fēng)，它們只有非常有限的能力來控制出風(fēng)或不出風(fēng)，或者說是通過地板提升系統(tǒng)或頂棚送氣回路來調(diào)節(jié)的。

對于許多使用面向機房形式制冷系統(tǒng)的小型計算機機房，人們很少注意到空調(diào)出風(fēng)的情況，安置機架式空調(diào)也只是計劃外的方案。對于大型或復(fù)雜的數(shù)據(jù)中心，地板提升系統(tǒng)可以用于將冷空氣導(dǎo)向到經(jīng)過詳細規(guī)劃、發(fā)熱量大的機架通道，或調(diào)整冷卻過度使溫度較低的通道。

但是，即使經(jīng)過了精心設(shè)計，這種面向機房形式的制冷系統(tǒng)也在很大程度上依賴機房的一些固有限制，例如機房空間形狀、地板上障礙物的分布、空調(diào)的位置，以及IT設(shè)備在機房中的放置方式等。在這么多實際條件的限制下，特別是大多數(shù)數(shù)據(jù)中心在增加和重新放置IT設(shè)備方面的一些教訓(xùn)也證明，面向機房形式制冷系統(tǒng)冷卻能力的可預(yù)見性會成為問題，特別是當(dāng)機房內(nèi)的設(shè)備功率密度增加時。

面向機架形式和面向排列形式結(jié)構(gòu)的空調(diào)布置方案

當(dāng)采用面向排列形式的制冷系統(tǒng)時，冷卻系統(tǒng)可以和成排的機架設(shè)備離得更近，每一排設(shè)備就好像是有了專用的空調(diào)一樣。與面向機房形式的制冷系統(tǒng)相比，通過將空調(diào)放置在IT機架之間，或者放在冷卻通道上方，氣流的通路會變得更短，風(fēng)向也更加容易確定，如圖2所示。氣流的冷卻能力更加容易預(yù)測，也就更容易達到更高的功率密度。此外，這樣的結(jié)構(gòu)無須花費安裝地板提升系統(tǒng)的費用就可以實現(xiàn)。

圖2面向排列形式的制冷系統(tǒng)可以按排布置（左），或者在頂棚上布置（右）

在面向機架形式的制冷系統(tǒng)中，CRAC單元對每個IT機架而言都是專用的。氣流的通路甚至比面向排列形式的制冷系統(tǒng)更短，而且氣流完全不受機房本身結(jié)構(gòu)的限制。這種制冷系統(tǒng)可以使機架的功率密度高達50kW，而且具有針對特定冷卻容量進行調(diào)節(jié)的靈活性，以及滿足特殊機架實際需求的冗余冷卻。不過，與其他制冷系統(tǒng)相比，這種制冷系統(tǒng)的一個主要缺點就是需要大量的空調(diào)。

在許多實際應(yīng)用中，沒有必要只采用這些制冷系統(tǒng)中的一種，而不考慮使用組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。當(dāng)數(shù)據(jù)中心有寬范圍功率密度和系統(tǒng)可用性需求時，組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)點就更具有說服力。

采用多種制冷系統(tǒng)的一個典型例子就是低密度數(shù)據(jù)中心的升級。增加面向排列形式或面向機架形式的制冷系統(tǒng)來彌補面向機房形式制冷系統(tǒng)的不足，這使得數(shù)據(jù)中心可以使用高功率密度的IT設(shè)備，而不用改變現(xiàn)存的制冷系統(tǒng)。

制冷系統(tǒng)的比較

在評估制冷系統(tǒng)時，有五個必須考慮的關(guān)鍵系統(tǒng)特征：靈活性、可用性、生命周期成本（TCO）、可維修性和可管理性。

隨著需求的不斷變化，例如功率密度的增加和不可預(yù)見性，系統(tǒng)的靈活性變得日益重要。面向機房形式的制冷系統(tǒng)通常是事先就建造好的，并且沒有經(jīng)過復(fù)雜的CFD分析，不具有制冷能力的可預(yù)見性，因此，這種結(jié)構(gòu)的升級是非常復(fù)雜的。此外，機房的任何改動都可能導(dǎo)致某些關(guān)鍵負載的冷卻不足，為了解決這個問題，就需要大范圍的工程改造。

另一方面，在數(shù)據(jù)中心里，面向排列形式和面向機架形式的制冷系統(tǒng)本身就是模塊化的，因此可以為具有特殊功率密度的個別負載提供可預(yù)見的冷卻能力，并通過按排列或按機架的形式來調(diào)配。當(dāng)數(shù)據(jù)中心改造或擴容時，新增加的冷卻負載就可以完全和已有的制冷系統(tǒng)隔離。

面向機房形式的制冷系統(tǒng)也面臨著可用性的挑戰(zhàn)。在數(shù)據(jù)中心里，制冷系統(tǒng)離熱源（冷卻負載）越近，系統(tǒng)就越能消除冷熱氣流的混合，從而避免出現(xiàn)無法冷卻的熱島。面向排列形式和面向機架形式的制冷系統(tǒng)可以滿足這樣的要求，所以比面向機房形式制冷系統(tǒng)的效率更高。

此外，數(shù)據(jù)中心普遍采用N+1冗余的冷卻方式，以此來替代出現(xiàn)故障的個別空調(diào)，但對于三種不同形式制冷系統(tǒng)所采取的冗余策略是不同的。在面向機架形式的制冷系統(tǒng)中，制冷系統(tǒng)基本上對每個機架是專用的，N+1冗余的唯一方式就是為每個機架增加另外一個CRAC或雙通路CRAC系統(tǒng)，而所付出的代價就是整個數(shù)據(jù)中心都采用N+1冗余系統(tǒng)的高昂價格，但對于隔離超高功率密度的機架是非常有效的。

對于面向機房形式的制冷系統(tǒng)，通常的思想是在機房周圍增加一套CRAC系統(tǒng)就可以提供需要的冗余級別。然而，在高密度的機房內(nèi)，特殊的CRAC系統(tǒng)可以彌補另一套CRAC系統(tǒng)的能力卻是極大地受機房幾何形狀的影響。產(chǎn)生故障的空調(diào)單元距離備份空調(diào)單元越遠，備份單元就越不可能給受影響的機架提供同樣的風(fēng)量。

面向排列形式的制冷系統(tǒng)允許按排列提供冗余，這只需要為每排機架提供一套額外的CRAC就可以了。但是這種冗余形式對于低功率密度的機房是沒有什么成本優(yōu)勢的，比如每個機架1～2kW的功率密度；而如果在高功率密度的機房，比如每個機架高達25kW的時候，這種冗余形式的優(yōu)勢就比較明顯了。

目前，降低生命周期成本或總體擁有成本（TCO）是人們的主要目標。當(dāng)功率密度和用電量持續(xù)上升的時候，電力成本就成為了TCO中很大的一部分。功率密度驅(qū)使了電力成本的上升，這是由于它降低了傳統(tǒng)面向機房形式制冷系統(tǒng)的效率。面向機架形式制冷系統(tǒng)的電力成本始終是比較低的，這是由于CRAC系統(tǒng)是按尺寸分布的，而且與熱負載源的距離非常近，因此就不致使冷氣流被浪費，如圖3所示。

圖3 依賴于冷卻結(jié)構(gòu)的類型，電力成本隨著機架功率密度的不同而變化

與面向機房形式的制冷系統(tǒng)相比，面向排列形式制冷系統(tǒng)的電力成本在非常低的功率密度下是很低的。在冷卻負載比較輕的情況下確是如此，這是由于面向排列形式的冷卻系統(tǒng)需要更多的CRAC，因為每一排都必須一套CRAC。

然而，當(dāng)功率密度增加的時候，面向排列形式制冷系統(tǒng)的電力成本始終是最低的。氣流的通路越短，就表明越容易通過小型的高效率鼓風(fēng)機來滿足所需要的大量氣流。而在面向機房形式的制冷系統(tǒng)中，如果希望送出更高的風(fēng)量，就需要更大功率的鼓風(fēng)機將冷風(fēng)吹得更遠，而且還要克服更高的風(fēng)道阻力。

當(dāng)考慮維修性和可管理性的時候，面向機房形式的制冷系統(tǒng)通常是非常獨特的工程方案，這包括多家供應(yīng)商提供的子系統(tǒng)、獨特的地板結(jié)構(gòu)，以及維護的復(fù)雜性。而面向排列形式和面向機架形式的制冷系統(tǒng)卻使用標準的模塊化部件，從而減少了停機時間，并且簡化了維修程序。另外，面向排列形式和面向機架形式的制冷系統(tǒng)也提供了當(dāng)前或未來性能方面的近實時模型，這樣就避免了冷卻容量和管理方式改變所進行的預(yù)測工作。